固體廢物固化穩定化處理下重金屬有效態含量變化研究

摘要：采選礦固體廢物含有大量重金屬，隨意堆放容易污染周邊農田，影響農產品安全及人體健康。試驗以某選礦廠遺留廢渣為處置對象，采用兩種固化穩定化工藝（制磚和制水泥熟料）對其進行處理，研究重金屬有效態含量（As和Cd）的變化。結果表明，兩種固化穩定化工藝均能有效處置固體廢物，控制重金屬污染，As和Cd有效態的固化率均不低于98.3%。相比制磚物料，成品磚的As和Cd有效態含量進一步降低，其中As有效態含量降低79.8%，Cd有效態含量降低80%。制磚后，重金屬As和Cd得到有效的固化。制磚物料及水泥熟料的As和Cd有效態含量基本一致，其固化穩定化效果無明顯差異。制磚物料的廢渣摻量遠高于水泥熟料，前者消納廢渣的能力比后者強，但水泥熟料的后續產品為水泥，制磚物料的后續產品為磚，水泥的穩定性遠高于磚，兩種工藝都能滿足重金屬固化穩定化要求。

關鍵詞：固體廢物；固化穩定化；重金屬；有效態含量；制磚；制水泥熟料

中圖分類號：X53 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）04-000-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.04.003

Study on the Available Content Changes of Heavy Metal Under Solid Waste Solidification and Stabilization Treatment

ZHANG Chuanqi， SUN Yongwei， HU Yangyang

（The Tenth Geological Brigade of Jiangxi Geological Bureau， Yingtan 335000， China）

Abstract： Solid waste from mining and mineral processing contains a large amount of heavy metals， which can easily pollute surrounding farmland and affect the safety of agricultural products and human health. The experiment uses the leftover waste residue from a certain beneficiation plant as the disposal object and treats it using two solidification and stabilization processes （brick making and cement clinker making） to study the changes in the available content （As and Cd） of heavy metals. The results show that both solidification and stabilization processes can effectively dispose of solid waste， control heavy metal pollution， and the solidification rates of As and Cd effective states are not less than 98.3%. Compared to brick materials， the available content of As and Cd in finished bricks is further reduced， with a 79.8% decrease in available content of As and an 80% decrease in available content of Cd. After brick making， heavy metals As and Cd are effectively solidified. The available content of As and Cd in brick making materials and cement clinker is basically the same， and there is no significant difference in their solidification and stabilization effects. The amount of waste residue added to brick making materials is much higher than that of cement clinker， and the former has a stronger ability to absorb waste residue than the latter， but the subsequent product of cement clinker is cement， and the subsequent product of brick making materials is brick， and the stability of cement is much higher than that of brick， and both processes can meet the requirements of heavy metal solidification and stabilization.

Keywords： solid waste; solidification and stabilization; heavy metals; available content; brick making; cement clinker making

改革開放以來，我國工業快速發展，大量采選礦企業應運而生。采選礦企業停產或搬遷后，大量采選礦固體廢物被隨意堆放在廢棄工業場地，其重金屬含量嚴重超標，易對周邊農田造成污染，嚴重影響農產品安全及周邊居民身體健康，這就需要進行有效處置。研究表明，農產品重金屬超標與否主要取決于固體廢物的重金屬有效態含量，而非重金屬全量，因此必須降低廢棄工業場地固體廢物的重金屬有效態含量，進而減少重金屬在農產品中的富集[1-4]。重金屬As和Cd是常見的農產品超標因子，通過食物鏈富集對人體造成影響。固化穩定化是目前國內外處置固體廢物的主要方式之一[5-28]。本文以某選礦廠遺留廢渣為處置對象，使用兩種固化穩定化工藝（制磚和制水泥熟料）對其進行處理，研究重金屬有效態含量（As和Cd）的變化。一是利用廢渣制磚，變廢為寶。二是按照一定配比制水泥熟料，實現廢渣的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

該選礦廠遺留廢渣產生于銅礦石浮選工藝，重金屬含量嚴重超標。采集距地表0～50 cm的浮選廢渣，均勻混合后作為試驗樣品，共采集100 kg浮選廢渣。為保證試驗結果的可靠性，去除廢渣中的礫石，然后自然風干，備用。

1.2 試驗方法

一是加壓制磚。將石灰、礦砂、粉煤灰、石膏與浮選廢渣以18∶20∶40∶2∶20的配比進行混合，得到制磚物料，經過攪拌、消化、輪碾和壓制成型，再經高壓蒸汽養護制成磚，獲得新型環保墻體材料。二是制水泥熟料。利用浮選廢渣（摻量7%）作為替代原料，通過水泥窯煅燒生產水泥熟料[29]。

將質量比為2∶1的濃硫酸和濃硝酸混合液加入去離子水中，使混酸pH保持在3.20±0.05，制備浸提劑。稱取100 g廢渣樣品，將其置于烘箱（溫度105 ℃）內烘干，然后計算其含水率。稱取200 g廢渣樣品置于提取瓶內，根據樣品含水率，按10∶1的液固比（L/kg）加入浸提劑。將提取瓶固定在振蕩儀上，在轉速30 r/min、反應溫度23 ℃的條件下振蕩18 h。最后，收集浸出液，使用微波消解/原子熒光法測定As有效態含量，使用電感耦合等離子體質譜法測定Cd有效態含量[30]。

固體顆粒表面電荷與介質的pH有關。pH為中間值時，表面電荷為零；pH低于中間值時，正的表面電荷占優勢，吸附陰離子；pH高于中間值時，負的表面電荷占優勢，吸附陽離子。浸出試驗按照硫酸硝酸法進行浸提，介質呈酸性，pH低于中間值，故吸附陰離子，從而置換出游離態的重金屬陽離子，即重金屬有效態。采用氣相色譜儀檢測浸出液重金屬濃度，分析浮選廢渣處置前后重金屬有效態含量的變化。

2 試驗結果分析

2.1 廢渣重金屬有效態含量

首先檢測廢渣樣品的重金屬全量，然后分別對其進行水浸和酸浸，結果如表1所示。檢測結果顯示，重金屬有效態含量并非與重金屬全量呈正相關，而是取決于重金屬離子賦存形態。酸浸試驗表明，廢渣樣品的As、Cd酸浸濃度并未超過《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》（GB 5085.3—2007）的限值[31]。經鑒定，該廢渣屬于一般固體廢物。

2.2 不同制磚階段重金屬有效態含量對比

在制磚過程中，對制磚物料和成品磚進行酸浸，試驗結果如表2所示。結果顯示，廢渣制磚的固化穩定化效果顯著。相比廢渣樣品，制磚物料As的有效態固化率為98.5%，Cd的有效態固化率為99.0%。相比廢渣樣品，成品磚As的有效態固化率為99.7%，Cd的有效態固化率為99.9%。與制磚物料相比，成品磚的As和Cd有效態含量均明顯降低，其中As有效態含量降低79.8%，Cd有效態含量降低80%。制磚是固化穩定化處理廢渣中重金屬的有效手段，該工藝可以變廢為寶，實現廢渣的資源化利用。

2.3 制水泥熟料及制磚的重金屬有效態含量對比

按照7%的廢渣摻量制水泥熟料，然后對其進行酸浸，試驗結果如表3所示。數據顯示，廢渣制水泥熟料的重金屬固化穩定化效果顯著。相比廢渣樣品，水泥熟料As的有效態固化率為98.3%，Cd的有效態固化率為99.0%。制磚物料及水泥熟料都是根據一定物料配比得到的，二者的As和Cd有效態含量基本一致（見表3），重金屬修復效果無明顯差異。制磚物料的廢渣摻量（20%）遠高于水泥熟料的廢渣摻量（7%），前者消納廢渣的能力比后者強，但水泥熟料的后續產品為水泥，制磚物料的后續產品為磚，水泥的穩定性遠高于磚。兩種工藝都能滿足重金屬固化穩定化要求，但優缺點各有不同。成品磚是制磚物料蒸壓養護后的產品，重金屬固化穩定化效果得到進一步提升。

3 結論

固化穩定化是目前國內外處置固體廢物的主要方式之一。試驗采用兩種固化穩定化方式（制磚和制水泥熟料）處理浮選廢渣，分析重金屬有效態含量（As和Cd）的變化。結果表明，兩種固化穩定化方式均能有效處置固體廢物，控制重金屬污染，兩者的修復效果均較為顯著，但制磚物料、成品磚以及水泥熟料As和Cd的有效態含量存在一定區別。與制磚物料相比，成品磚的As和Cd有效態含量進一步降低，其中As有效態含量降低79.8%，Cd有效態含量降低80%。廢渣制磚后，重金屬得到有效的固化，同時實現變廢為寶。水泥熟料與制磚物料的As和Cd有效態含量基本一致，兩者都是浮選廢渣以一定配比混合而成的，固化穩定化效果基本一致。制磚物料的廢渣摻量為20%，水泥熟料的廢渣摻量為7%，前者消納廢渣的能力比后者強，但水泥熟料的后續產品為水泥，制磚物料的后續產品為磚，水泥的穩定性遠高于磚。兩種固化穩定化方式均能達到預期目標，各有優缺點。在實際應用中，要因地制宜，綜合考慮多種因素，以最低的成本和最短的時間完成固體廢物的處置和資源化利用，有效控制重金屬有效態含量，實現重金屬的固化穩定化。

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